半导体制造之等离子工艺

本节开始介绍等离子工艺，内容主要有：

1.等离子体是什么;

2. 等离子体的三种主要成分;

3. 等离子体中的三种重要碰撞及其重要性;

4. 说明化学气相沉积CVD.和刻蚀工艺中使用等离子体的好处;

5. 说明PECVD和等离子体刻蚀工艺的主要区别;

6. 高密度等离子体系统;

7. 说明平均自由程及其与压力的关系;

8. 解释说明磁场在等离子体中的效应;

9 .说明离子轰击及其与等离子体之间的关系;

简介

等离子体工艺广泛应用于半导体制造中。比如，IC制造中的所有图形化刻蚀均为等离子体刻蚀或干法刻蚀，等离子体增强式化学气相沉积(PECVD)和高密度等离子体化学气相沉积 (HDP CVD)广泛用于电介质沉积。离子注入使用等离子体源制造晶圆掺杂所需的离子，并提供电子中和晶圆表面上的正电荷。物理气相沉积(PVD)利用离子轰击金属靶表面，使金属溅镀沉积于晶圆表面。遥控等离子体系统广泛应用于清洁机台的反应室、薄膜去除及薄膜沉积工艺中。

等离子体基本概念

半导体工业中，等离子体被广泛定义为具有等量正电荷和负电荷的离子气体。简单的表述为等离子体就是具有等量带电性与中性粒子的气体，等离子体就是这些粒子的集体行为。

等离子体的成分

等离子体由中性原子或分子、负电子和正电子组成，电子浓度大约和离子浓度相等，即ne=ni。电子浓度和所有气体浓度的比例称为离化率：

离化率= ne/(ne +nn)

其中，ne为电子浓度，ni为离子浓度，nn为中性原子或分子浓度。离化率主要取决于电子能量，但是由于不同气体所需的离子能量不同，所以也与气体的种类有关。太阳是一个充满等离子体的大球。在太阳的边缘，由于温度相对较低(约6000℃)，离化率也就低，满足ne << nn。但在太阳中心，由于温度相当高(10 000 000℃)，因此几乎所有气体分子都被离子化。满足ne >> nn的情况，离化率几乎为100% 。

半导体制造使用的等离子体离化率通常很低，比如带有两平行板电极的等离子体增强式化学气相沉积反应室所产生的离化率大约为百万分之一到千万分之一，或小于0.0001%。带有两个平行板电极的等离子体刻蚀反应室，离化率稍高一些，为0.01%左右。甚至对于感应 式耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma, ICP)和电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance, ECR)这两种最普遍的高密度等离子体源，离化率仍很低，约为1%〜5%。具有接近100%离化率的高密度等离子体源仍在研发阶段，而且并未应用于IC制造中。

等离子体反应器的离化率主要由电子能量决定，而电子能量则由施加的功率控制。离化率也与压力、电极间的距离、制造中使用的气体种类及等离子体反应器的设计有关。

等离子体的产生

必须借助外界能量才能产生等离子体，半导体制造中有几种产生等离子体的方式。离子注入机使用的离子源和等离子体系统通常使用直流电位偏压热灯丝系统。多数物理气相沉积系统都使用直流电力供应产生等离子体。半导体制造中最普遍的等离子体源是射频(Radio Frequency, RF)等离子体源。

多数等离子体增强式化学气相沉积和等离子体刻蚀反应室中，在真空室中两个平行板电极之间加上射频电压产生等离子体(见下图)。这两个平行电极就如同电容器中的电极，所以也称为电容耦合型等离子体源。

　　审核编辑：汤梓红